ПОРТАТИВНЫЙ ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ФИЛЬТР-ПРЕССНОГО ТИПА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КИСЛОРОДА И ВОДОРОДА Российский патент 1995 года по МПК C25B1/04 

Изобретение относится к электролизерам для получения смеси кислорода и водорода путем электролиза воды для использования в портативных установках, применяемых для высокотемпературной обработки (сварка, резка, пайка) материалов и металлов.

Испытываемый в настоящее время дефицит карбида кальция, дороговизна получения из него ацетилена, стремительный рост предприятий с различными формами собственности, использующих газопламенную обработку металлов и материалов, обуславливает дальнейшее развитие процессов газопламенной обработки, для осуществления которых используются газы-заменители ацетилена. В качестве заменителя ацетилена все большее распространение получает водородно-кислородное пламя от сжигания газовой смеси, генерируемой электролизно-водным генератором, или электролизером. Такая замена позволяет исключить необходимость в дорогостоящем баллоном хозяйстве, карбиде кальция и ацетиленовых генераторах, способствует экономии материальных и трудовых ресурсов, улучшению условий труда и уменьшению загрязненности окружающей среды, так как конечным продуктом при сжигании водородно-кислородной смеси является вода.

Наиболее близким к изобретению является портативный электролизер фильтр-прессного типа для получения кислорода и водорода, содержащий параллельно расположенные биполярные электроды, выполненные из никелевых листов и образующие пакет электродных ячеек, стянутых плитами с помощью шпилек, питательный канал для электролита и каналы для отвода газов.

На основании характеристик электролиза, а также из-за отсутствия более подробных сведений о конструктивных особенностях известного электролизера можно сделать вывод о его техническом несовершенстве, что и обуславливает такие низкие технические параметры.

Следовательно, все известные портативные электролизеры фильтр-прессного типа для получения кислорода и водорода характеризуются низкими основными параметрами: производительность, масса, габаритные размеры, мощность, а также надежностью в работе.

Предлагаемый электролизер позволяет достичь нового технического результата высокой производительности по газу при малых массогабаритных параметрах при сравнительно невысоких энергозатратах, высокой надежности в работе, что позволяет использовать его в портативных установках для сварки, резки, в любых условиях эксплуатации, значительно расширяя тем самым сферы промышленнобытового его применения.

Предлагаемое изобретение характеризуется следующей совокупностью существенных признаков.

Портативный электролизер фильтр-прессного типа для получения кислорода и водорода, содержащий параллельно расположенные биполярные электроды, выполненные из никелевых листов и образующие пакет электродных ячеек, стянутых плитами с помощью шпилек, питательный канал для электролита и канал для отвода газов, отличающийся тем, что между электродами размещены прокладки, выполненные из паронита щелочестойкой марки, пропитанного фторопластовым лаком, в форме прямоугольной рамки с образованием межэлектродной полости ячейки, при этом электроды, выполненные в форме прямоугольных пластин, выступают за прокладки по бокам и снизу, питательный канал выполнен в виде лабиринта, представляющего собой сквозные отверстия для входа электролита диаметром 3,0-3,5 мм, каждое из которых расположено в нижней угловой части электрода в порядке чередования входа электролита от пластины к пластине, уровень электролита равен 1/3-2/3 высоты полости ячейки, причем стяжные шпильки расположены вне электродных пластин с образованием канала воздушного принудительного охлаждения.

Электролизер характеризуется также тем, что шпильки электроизолированы, а плиты выполнены из электроизоляционного материала, например, текстолита.

Кроме того, толщина паронитовых прокладок составляет около 3 мм, ширина около 10 мм.

Выполнение биполярных электродов из никелевых листов не только значительно повышает коррозионную стойкость электродов к электролиту в процессе электролиза. Электролизный никель, из которого выполнены электроды, имеют мелкозернистую разветвленную поверхность, способствующую газообразованию, позволяющую уменьшить размеры электродов при сохранении повышенных энергетических параметров.

Электроды из никеля позволяют снизить переходное напряжение на одной ячейке до 1,7-1,9 В на фоне 2,0-2,2 В при использовании традиционных электродов из стали Ст. 3 или нержавеющих сталей. Это обстоятельство позволяет значительно увеличить количество последовательно соединенных электрически ячеек, например, до 100 шт. на фоне 70-80 шт. при стальных электродах соответственно с пропорциональным увеличением газопроизводительности и снижении тепловых потерь.

Выполнение электродов в форме прямоугольных пластин позволяет электролизер, а значит и всю установку, сделать более компактной, удобной для переноски в процессе эксплуатации.

Тот факт, что электроды выступают за прокладки по бокам и снизу, обеспечивает образование "радиатора", позволяющего снять тепло с разогретого электролизера при помощи принудительного воздушного охлаждения. Такие незначительные размеры "радиатора" (выступание) не только обеспечивает полный съем тепла, обусловленный высокой теплопроводностью никелевых пластин, но и не увеличивают габаритные размеры электролизера. Все это не только обеспечивает непрерывную работу электролизера, а значит высокую надежность, но и позволяет достичь высокой производительности при малых габаритных размерах электролизера.

С одной стороны, размещенные между электродами прокладки, выполненные из паронита щелочестойкой марки, пропитанного фторопластовым лаком, не только служат для фиксации электродов при сборке электролизера, но и для повышения стойкости электродов в процессе электролиза.

С другой стороны, полностью отсутствует растворение прокладок, выпадение осадков, прилипание прокладок, разогретых в процессе электролиза, к электродам, что обеспечивает высокую надежность и долговечность электролизера в работе. Пропитка паронита фторопластовым лаком позволяет значительно снизить гигроскопичность, что позволяет уменьшить толщину прокладок, а значит снизить массогабаритные параметры электролизера. Выполнение прокладок в форме прямоугольной рамки с образованием межэлектродной полости ячейки создает необходимый для электролита объем, в котором протекает процесс электролиза с образованием смеси кислорода с водородом. При этом уровень электролита, равный 1/3-2/3 высоты полости ячейки, обеспечивает гашение образующейся пены в пределах каждой ячейки, не допуская ее выноса в канал для отвода газа, обеспечивая тем самым стабильную надежную работу электролизера.

Выполнение питательного канала в виде лабиринта, представляющего собой сквозные отверстия для входа электролита диаметром 3,0-3,5 мм, каждое из которых расположено в нижней угловой части электрода в порядке чередования входа электролита от пластины к пластине, значительно снижает сквозной пробой энергии через коллектор и, как следствие, снижает тепловыделение, переходное напряжение на одной ячейке, повышает экономичность.

Отсутствие циркуляции электролита между ячейками, выноса пены из ячеек, отсутствие осадков в электролите обеспечивают возможность создания минимальных диаметров отверстий канала, а именно 3,0-3,5 мм, значительно снижая потери энергии. Следовательно, такой питательный канал, сводя к минимуму потери энергии, значительно увеличивает КПД электролизера и обеспечивает высокую производительность.

Расположение шпилек вне электродных пластин с образованием канала принудительного воздушного охлаждения, с одной стороны, значительно повышают электробезопасность электролизера, так как стяжные шпильки находятся вне зоны электрического тока. С другой стороны, над электродными пластинами образованный канал принудительного воздушного охлаждения обеспечивает охлаждение нагретого в процессе электролиза электролизера, что позволяет его эксплуатировать без ограничений по времени и мощности. Следовательно, значительно повышается надежность электролизера в работе, его эксплуатационные и потребительские свойства.

Таким образом, предлагаемая новая совокупность существенных признаков позволяет достичь нового технического свойства высокой производительности при малых массогабаритных параметрах, высокой надежности в работе, что позволяет использовать предлагаемый электролизер в портативных установках для сварки, резки, значительно расширяя тем самым сферы его промышленно-бытового применения.

Следовательно, как показал анализ информации о существующем уровне техники и анализ новой совокупности существенных признаков предлагаемого изобретения, последнее не вытекает явным образом из существующего уровня техники, т. е. обладает таким критерием патентоспособности, как "изобретательский уровень".

На фиг.1 изображен предлагаемый электролизер, вид сбоку; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 вид одной электродной ячейки.

Электролизер (фиг. 1) содержит параллельно расположенные биполярные электроды 1 и электроизоляционные прокладки 2, образующие в сборе пакет электродных ячеек 3 (фиг.1 и 3).

Биполярные электроды 1 (фиг. 2 и 3) выполнены в форме прямоугольных пластин размером 180 х 100 мм и толщиной 0,8 мм. Материал электродов 1 электролизный никель. Количество электродов 1 равно 100 шт. Выполнение электродов 1 такой формы позволяет сделать электролизер более компактным, удобным для переноски. Между электродами 1 расположены электроизоляционные уплотнительные прокладки 2, которые служат для фиксации электродов 1 при сборке электролизера. Прокладки 2 выполнены из щелочестойкого паронита марки ЭИ, пропитанного фторопластовым лаком по специальной технологии. Пропитка паронита фторопластовым лаком позволяет значительно снизить гигроскопичность. Это позволило уменьшить ширину прокладок 2 до 10 мм, толщину до 3 мм и снизить массогабаритные параметры электролизера, уменьшить теплосъем.

Прокладка 2 выполнена в форме прямоугольной рамки 4 с образованием межэлектродной полости ячейки 3. Размеры рамки 4 следующие:
170 х 70 мм наружный;
160 х 50 мм внутренний.

Электроды 1 выступают за паронитовые рамки 4 по бокам на 15 мм, снизу на 10 мм, образуя теплосъемный радиатор 5 электролизера.

Пакет электродных ячеек 3 обжат стяжными плитами 6 и 7 (фиг.1), выполненными из упругого электроизоляционного материала (текстолита, гитенакса и т.п.). Размеры плиты 6 и 7 следующие: 280 х 160 х 15 мм.

В передней плите 6 выполнено четыре отверстия 8 диаметром 12 мм (фиг.1 и 2) для четырех шпилек 9. В задней плите 7 выполнено шесть отверстий 8 того же диаметра для четырех шпилек 9 и еще двух шпилек 10.

Шпильки 9 необходимы для стягивания пакета электродных ячеек 3 в цельную конструкцию. Шпильки 10 необходимы для стягивания в моноблочную конструкцию блока 11 известных узлов электролизера, обеспечивающих нормальную работу установки (заправочное устройство, гидрозатвор, обогатитель, фильтр, обратные затворы). Через промежуточную стяжную плиту 12 шпильки 9 и 10 электроизолированы, диаметр их 10 мм, длина шпилек 9-470 мм, длина шпилек 10-110 мм. Шпильки 9 и 10 расположены вне электродов 1 (фиг.2). В зазор (не показан) между ребрами 13 электродов 1 и шпильками 9 вставлена полихлорвиниловая пластина (не показана) толщиной 3 мм, образуя канал принудительного воздушного охлаждения и двойную электроизоляцию.

Коллектор для электролита (фиг.2 и 3) представляет собой сквозные отверстия 14 для выравнивания уровня электролита по длине электролизера при его заправке, работе и осушении.

Диаметр отверстий 14 равен 3,0-3,5 мм. Отверстие 14 расположено в нижней угловой части каждого электрода 1 в порядке чередования входа электролита от пластины к пластине, исключая сквозной пробой тока по коллектору, снижая энергопотери и интенсивность тепловыделения.

В верхней части каждого электрода 1 выполнено сквозное продольное отверстие 15 для отвода газовой смеси, которое вместе с другими такими же отверстиями 15 в других электродах 1 образует газовый коллектор для отвода газовой смеси.

Электролизер работает следующим образом.

Готовят раствор электролита, в качестве которого используют водный раствор КОН плотностью 1,21 мг/л. Через заправочное устройство блока 11 навесных узлов электролизер заполняют электролитом. Через сквозные отверстия 14 коллектора раствор электролита поступает в межэлектродную полость каждой ячейки 3, заполняя электролизер. При этом уровень электролита устанавливают на высоте 2/3 от высоты полости ячейки 3. Такой уровень электролита обеспечит гашение образующейся в процессе электролиза пены в пределах каждой ячейки 3, не допуская ее вынос в газовый коллектор. Это способствует стабильной надежной работе электролизера.

На концевые электроды 1 подготовленного к работе электролизера подают электропитание. При этом коллектор для электролита, представляющий собой сквозные отверстия 14, исключают сквозной пробой тока через коллектор и, как следствие, снижает тепловыделение, переходное напряжение на одной ячейке 3, повышает экономичность электролизера, а значит, обеспечивает высокую производительность.

Под действием поданного электрического тока происходит электростатическое разложение воды на кислород и водород. Образовавшаяся смесь кислорода и водорода из каждой ячейки 3 через отверстие 15 газового коллектора отводится на фильтр и гидрозатвор блока 11 навесных узлов. При этом следует отметить следующее. Паронитовые прокладки 2, пропитанные фторопластовым лаком, обеспечивают не только фиксацию электродов, но и то, что полностью отсутствуют растворение прокладок 2, выпадение осадков, прилипание прокладок 2, разогретых в процессе электролиза, к электродам 1. Это обеспечивает высокую надежность и долговечность электролизера в работе.

Высокая теплопроводность никелевых электродов 1, снижение ширины паронитовых прокладок до 10 мм, а также принудительное воздушное охлаждение позволяет максимально уменьшить размеры радиатора 5, а следовательно, массогабаритные параметры электролизера. Это не только обеспечивает его непрерывную работу, но и позволяет достичь высокой производительности при малых массогабаритных параметрах электролизера. Канал принудительного воздушного охлаждения между электродными пластинами 1, обеспечивает охлаждение нагретого в процессе работы электролизера. Это позволяет его эксплуатировать без ограничений по времени даже при номинальной мощности, обеспечивая надежную работу электролизера.

Таким образом, в результате применения данного изобретения достигается возможность получения технического результата, следовательно, предлагаемый электролизер соответствует критерию патентоспособности "промышленная применимость".

Портативная электролизная газосварочная установка с торговой маркой "Горыныч" основным конструктивным узлом которого является предлагаемый портативный электролизер фильтр-прессного типа, прошел официальные испытания в апреле 1993 года во ВНИИавтогенмаш (г.Москва), Уралхиммаш (г.Екатеринбург), получила высокую оценку специалистов и рекомендовано к серийному выпуску.

Применение предлагаемого изобретения позволяет достичь высокой производительности по газу при малых массогабаритных параметрах при невысоких энергозатратах, высокой надежности в работе, что позволяет использовать его в портативных установках для сварки, резки в любых условиях эксплуатации, значительно расширяя тем самым сферы промышленно-бытового применения.

Изобретение относится к электролизерам для получения смеси кислорода и водорода путем электролиза воды для использования в портативных установках, применяемых для высокотемпературной обработки (сварка, резка, пайка) материалов и металлов. Для достижения высокой производительности по газу при малых массогабаритных параметрах при сравнительно невысоких энергозатратах, высокой надежности в работе между электродами в электролизере размещены прокладки, выполненные из паронита щелочестойкой марки, пропитанного фторпластовым лаком. Выступающие за прокладки электроды образуют теплосъемный радиатор; питательный канал в виде лабиринта. Последний представляет собой сквозные отверстия для входа электролита диаметром 3,0 3,5 мм, каждое из которых расположено в нижней угловой части электрода в порядке чередования входа электролита от пластины к пластине. Технический результат достигается и тем, что уровень электролита равен 1/3 2/3 высоты полости электродной ячейки, а также тем, что стяжные шпильки расположены вне электродных пластин с образованием канала принудительного воздушного охлаждения. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. ПОРТАТИВНЫЙ ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ФИЛЬТР-ПРЕССНОГО ТИПА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КИСЛОРОДА И ВОДОРОДА, содержащий параллельно расположенные биполярные электроды, выполненные из никелевых листов и образующие пакет электродных ячеек, стянутых плитами с помощью шпилек, питательный канал для электролита и канал для отвода газов, отличающийся тем, что между электродами размещены прокладки, выполненные из паронита щелочестойкой марки, пропитанного фторопластовым лаком, в форме прямоугольной рамки с образованием межэлектродной полости ячейки, при этом электроды, выполненные в форме прямоугольных пластин, выступают за прокладки по бокам и снизу, питательный канал выполнен в виде лабиринта, представляющего собой сквозные отверстия диаметром 3,0-3,5 мм для входа электролита, каждое из которых расположено в нижней угловой части электрода в порядке чередования входа электролита от пластины к пластине, уровень электролита равен 1/3 2/3 высоты полости ячейки, причем стяжные шпильки расположены вне электродных пластин с образованием канала принудительного воздушного охлаждения. 2. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что шпильки электроизолированы, а плиты выполнены из электроизоляционного материала, например текстолита. 3. Электролизер по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что толщина паронитовых прокладок составляет около 3 мм, ширина около 10 мм.